游隙及载荷对滚动轴承载荷分布的影响*

王金龙

(甘肃长城电工集团有限责任公司，甘肃兰州 730030)

0 引言

轴承是许多机械设备的关键部件，一旦轴承失效，将会引起严重后果。轴承的径向游隙对轴承的使用寿命有着重要影响，过大或过小都会引发轴承故障。过大的游隙会造成系统运转精度降低，噪声和振动增大，同时使轴承承载能力降低，缩短轴承使用寿命;过小的游隙会使轴承生热增多，导致系统温度过高，甚至烧损轴承，引发故障，所以分析轴承的游隙及载荷对轴承的载荷分布非常有必要［1－4］。

1 轴承的游隙

轴承的游隙是指轴承内外圈的相对位移量，即将轴承内圈或外圈固定，另一套圈从一个极限位置至另一极限位置的距离。径向位移量称为径向游隙，轴向位移量称为轴向游隙。轴承的轴向游隙可以通过选用合适的轴承配置来调整，所以一般情况只需要校核轴承的径向游隙，但对于角接触轴承需要预紧的场合除外［5－6］。

角接触球轴承可以通过施加预负荷来调整或消除原始游隙。深沟球轴承由于结构限制，一般只能承受径向负荷，游隙的存在会使钢球与滚道之间的初始间隙发生变化，游隙不仅影响到接触角，而且还影响到应力、变形、载荷分布和疲劳寿命［7－8］。

2 载荷分布范围

如图1所示，以变形前轴承的中心为基准，径向负荷作用方向的角度为0°，顺时针方向角度为正，轴承内环任意点与径向负荷作用方向的夹角定义为位置ψ，则该点的径向位移uψ

可表示为:

式中:ur为轴承径向位移;γ为轴承径向游隙。

图1 深沟球轴承在径向载荷作用下的变形示意图

当ψ=0°时，轴承的内、外圈的最大径向接触变形量umax可以表示为:

由上述式子可得:

根据赫兹接触理论，接触载荷与变形量的3/2次幂成正比关系［9］，即:式中:Q为接触载荷;Kn为点接触刚度;u为接触变形量。

整理可得:

将式(3)代入式(5)，可得:

当轴承处于静力平衡状态时，轴承所承受的轴向载荷等于轴承内、外圈与滚动体之间的接触载荷Qψ的合力，即

式中:ψl为轴承的接触分布范围角。

图2 游隙对载荷分布范围的影响

当游隙γ＞0时，即有游隙状态，载荷分布范围角为0 ＜ |ψl|＜90°，如图2(a)所示。

当游隙γ=0时，即无游隙状态，载荷分布范围角为 ψl=90°，如图2(b)所示。

当游隙γ＜0时，即负游隙状态，载荷分布范围角为90°＜ |ψl|＜180°，如图2(c)所示。

3 径向载荷对载荷分布的影响

本文选取型号为6209/P2的深沟球轴承作为计算例子，分析径向载荷对载荷分布的影响。

如图3所示，当γ=0.0152 mm时，在不同径向载荷作用下，轴承滚动体与滚道之间的接触载荷分布。

图3 径向载荷对接触载荷分布的影响

3 结论

滚动轴承的游隙对载荷分布有着很大的影响，选用时，应当考虑具体使用工况及设备设计寿命。

(1)当外界条件相同时，随着径向游隙的减小，轴承的接触分布范围角ψl增大。最大接触载荷减小。随着径向载荷的减小，轴承接触分布范围角ψl减小，最大接触载荷增大。

(2)当轴承游隙减小到一定程度时，即出现负游隙，轴承在外载荷作用下的内、外圈相对变形量较小，但轴承中滚动体的平均接触载荷增加，会导致轴承寿命降低。

［1］ T.A.Harris，M.N.Kotzalas，罗继伟(译).滚动轴承分析:第1卷.轴承技术的基本概念［M］.北京:机械工业出版社，2010.

［2］ 罗继伟，罗天宇.滚动轴承分析计算与应用［M］.北京:机械工业出版社，2009.

［3］ 万长森.滚动轴承的方法［M］.北京:机械工业出版社，1987.

［4］ 冈本纯三，黄志强译.球轴承的设计计算［M］.北京:机械工业出版社，2003.

［5］ 胡鹏浩，费业泰，黄其圣.滚动轴承最佳工作游隙的确定［J］.仪器仪表学报，2002，23(z3):33 －35.

［6］ 张 勇，费业泰，刘善林，等.高速旋转的滚动轴承工作游隙影响因素的分析［J］.应用科学学报，2005，23(6):635 －639.

［7］ 王正君，徐一春，张善青，等.机床主轴滚动轴承游隙组的选择计算［J］.机床与液压，2002(3):68 －69.

［8］ 窦 锋，寇 鹏，王 斌，等.轴承的游隙及游隙的选择［J］.机械设计与制造，2009(4):264－265.

［9］ Hertz H.On the contact of elastic solids［J］.J.Reine und Angew.Math.，1881，92.